Dynamical modeling of frequency controlled variable speed parallel multistage centrifugal pumps

• Autorzy: Khayatzadeh F. , Ghafouri J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2015-0020

Warianty tytułu

PL

Modelowanie dynamiczne wielostopniowych równoległych pomp odśrodkowych o zmiennej prędkości sterowanych częstotliwościowo

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a development of a model of a set of multistage centrifugal electro pumps including two 4 stage stainless steel centrifugal pumps, each coupled to a 4 kW three-phase induction motor, connected to a hydraulic application running under two control strategies including constant speed and variable speed methods. Each pump provides 16 m³/hr flow rate and 58_mwater head at BEP (Best Efficiency Point). Dynamicity of the model causes variations in all operational parameters of pumping system in any variation on consuming flow rate. Each electro pump has been driven with a variable frequency drive utilizing frequency control method for adjusting the rotational speed under a PID control regarding to match of pumping system operational point with the consumption point to save the energy. 83% energy saving is achieved by model in variable speed control strategy comparing to constant speed control strategy. MATLAB/SIMULINK software using ode45 solver and variable step size simulates this model.

PL

W artykule przedstawiono opracowanie modelu zespołu wielostopniowej elektrycznej pompy odśrodkowej składającego się z dwu czterostopniowych pomp ze stali nierdzewnej, z których każda jest napędzana trójfazowym silnikiem indukcyjnym o mocy 4 kW i połączona z odbiorczym urządzeniem hydraulicznym. W sterowaniu pompy stosuje się dwie strategie, metodę stałej i zmiennej prędkości. Każda z pomp zapewnia prędkość przepływu 16 m³/godz i ciśnienie 58 m słupa wody w punkcie odpowiadającym najlepszej sprawności (BEP). Dynamika modelu powoduje, że wszystkie parametry robocze zmieniają się przy zmianie prędkości przepływu po stronie odbiorczej. Każda z elektro-pomp jest napędzana ze zmienną częstotliwością metodą sterowania częstotliwością w regulatorze typu PID, co zapewnia dostosowanie parametrów roboczych systemu pompy do konsumpcji wody i oszczędność energii. W modelu opartym na strategii sterowania ze zmienną prędkością osiągnięto 83% oszczędność energii w porównaniu ze strategią sterowania przy stałej prędkości. Symulację modelu wykonano przy pomocy oprogramowania MATLAB/SIMULINK z pakietem numerycznym ode45 stosując zmienną długość kroku.

Słowa kluczowe

EN

frequency control; variable frequency drive; VFD; PID control; parallel multistage centrifugal pump

PL

sterowanie częstotliwościowe; napęd z regulacją częstotliwości; VFD; regulator typu PID; wielostopniowa równoległa pompa odśrodkowa

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. LXII, nr 3
• Strony: 347--361
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Khayatzadeh F.

• Mechanical Engineering Faculty, Islamic Azad University, Tabriz Branch, Iran

autor

Ghafouri J.

• Mechanical Engineering Faculty, Islamic Azad University, Tabriz Branch, Iran

Bibliografia

• [1] Skovmose Kallesøe C.: Fault Detection and Isolation in Centrifugal Pumps. PhD Thesis, Aalborg University, 2005.
• [2] K.L.Shi, T.F.Chan, Y.K.Wong and S.L.Ho: Modeling and simulation of three phase induction motor using Simulink. Department of Electrical Engineering, Hong Kong Polytechnic University, 1999.
• [3] Krause, P.C.: Simulation of symmetrical induction machinery. IEEE Trans. Power Apparatus Systems, 1965.
• [4] Rashid M. H. (Ed.): Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications. Second Edition, Florida, USA.
• [5] Fang Lin Luo, Hong Ye, Rashid M. H.: Digital Power Electronics and applications.
• [6] Ion Boldea, S.A. Nasar: Electric Drives. eBook, 2005.
• [7] C. Thanga Raj, S. P. Srivastava, and Pramod Agarwal: Energy efficient control of three phase induction motor. International Journal of Computer and Electrical Engineering, 1793-8198, April 2009.
• [8] Ansari, D.M. Deshpande, ‘Mathematical Model of Asynchronous Machine’ International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2(5), (2010).
• [9] Rizwan Uddin: Steady state characteristics based model for centrifugal pump transient analysis. Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering, University of Virginia, USA, 1994.
• [10] Dr.ir. S.A. Miedema: Modeling and simulation of the dynamic behavior of a pump/pipeline system. Delft University of Technology, 2010.
• [11] Chee-Mun Ong: Dynamic simulation of electric machinery using Matlab/Simulink. Prentice Hall, 1998.
• [12] Karanay i I, M .F. Rahman and C. Grantham: A Complete Dynamic Model for a PWM VSI-fed rotor flux oriented vector controlled Induction Motor Drive using SIMULINK. University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia, 2009.
• [13] Thanga Raj, Member IACSIT, S. P. Srivastava, and Pramod Agarwal: Energy Efficient Control of Three-Phase Induction Motor. International Journal of Computer and Electrical Engineering, April 2009.
• [14] GRUNDFOS PUMPS, CR Series, Multistage Centrifugal Pumps, 2012.
• [15] LOWARA PUMPS, SV Series, Multistage Centrifugal Pumps Catalog, 2011.
• [16] Andrei Magyari: Study regarding the possibilities of improving the parameters of a petroleum products main pipe transport system. University of Petroşani, Romania, 2010.
• [17] S. Leirens, C. Zamora, R.R. Negenborn, and B. De Schutter: Coordination in urban water supply networks using distributed model predictive control. Proceedings of the 2010 American Control Conference, Baltimore, Maryland, pp. 3957–3962, July, 2010.
• [18] Kiselychnyk O., Bodson M., Werner H., ‘Interactive Energy Saving Control of Water Supply Pump based on Pressure Measurement’, Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. Випуск (2009).
• [19] K. Grotenburg: Modeling and dynamic simulation of variable speed pump storage units incorporated into the German electric power system, 2001.